李光明 ，宋裕農 ，初松濤

(1.海軍潛艇學院，山東 青島 266071；2.91049部隊，山東 青島 266000)

甚低頻(VLF)通信是海軍遠程、水下對潛指揮的最有效通信手段。甚低頻電波在地面與低電離層之間以一種“波導”方式傳播。大量的實驗證明，由于受發(fā)射、接收位置、傳播路徑、太陽輻射、晝夜、季節(jié)、氣候以及水文條件等諸多因素的影響，甚低頻通信傳播參數(shù)分布存在明顯差異，導致潛艇在不同海域、不同時間和不同頻率的收信效果明顯不同[1]。加上對潛通信采用單向通信方式，在戰(zhàn)時極易造成軍令不通、指揮不暢，致使戰(zhàn)機延誤，其后果是嚴重的。由于甚低頻電波傳播具有良好的可預測性，因此應用MapX技術和波導模式理論開發(fā)甚低頻通信信號場強預測系統(tǒng)，對甚低頻通信信號場強進行預測，實現(xiàn)通信效果的精確預報，從而對通信過程中的傳播影響進行預測修正，使通信系統(tǒng)工作性能與信道特性達到良好匹配，對于提高潛通信效能具有重要意義。

地理信息系統(tǒng)(GIS)是在計算機硬件、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層空間中的有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、運算、分析和可視化表達的信息處理與管理系統(tǒng)。MapX是GIS系統(tǒng)領域比較著名的組件式二次開發(fā)平臺，是對象鏈接和嵌入(OLE)技術的ActiveX控件，其內部提供了40多個父類為MFC的OLE對象，采用該控件可方便地將地圖控制集成到使用標準可視化編程工具VC++等開發(fā)的應用中。因此，甚低頻通信信號場強預測系統(tǒng)選用VC++為開發(fā)平臺，以MapX控件為圖形平臺進行開發(fā)。

1 系統(tǒng)功能

甚低頻通信信號場強預測系統(tǒng)主要由基礎數(shù)據(jù)維護子系統(tǒng)、地理信息管理子系統(tǒng)、信號場強分析子系統(tǒng)和系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)組成。

1.1 基礎數(shù)據(jù)維護子系統(tǒng)

基礎數(shù)據(jù)維護子系統(tǒng)主要包括地面電導率數(shù)據(jù)、海水電導率數(shù)據(jù)、電離層數(shù)據(jù)、地磁場數(shù)據(jù)和發(fā)射臺數(shù)據(jù)等基礎數(shù)據(jù)的更新、綜合查詢、增加、刪除和修改等功能。

1.2 地理信息管理子系統(tǒng)

地理信息管理子系統(tǒng)提供以下功能：(1)地理信息數(shù)據(jù)分層顯示功能：根據(jù)地圖視野的范圍，自動確定圖層的可見性判斷，同時可手動控制圖層的可見性顯示。(2)地理數(shù)據(jù)編輯功能：根據(jù)發(fā)射臺的地理位置數(shù)據(jù)，在地圖上編輯、修改移動發(fā)射臺的位置。(3)地圖操作功能：地圖的漫游、放大、縮小和移動。(4)地圖信息查詢功能：提供屬性數(shù)據(jù)的可視化。

1.3 信號場強分析子系統(tǒng)

信號場強分析子系統(tǒng)主要功能：(1)現(xiàn)有固定和移動發(fā)射臺的信號場強分布、通信覆蓋范圍和多重覆蓋查詢功能。(2)新建發(fā)射臺信號場強分布和通信覆蓋范圍輔助分析功能，具有模擬仿真的能力，可預先評估通信效果。(3)保障某潛艇通信的最佳發(fā)射臺、最佳發(fā)射頻率、最佳通信時段和最佳通信海區(qū)的輔助決策功能。

1.4 系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)

系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)主要功能：(1)提供圖形輸出功能，系統(tǒng)能按指定地圖顯示比例范圍，輸出地圖和信號場強分布圖及通信覆蓋分析結果，并可增加圖例、比例尺、標題等輔助內容。(2)提供多種圖形格式轉換功能。(3)提供數(shù)據(jù)輸出功能。

2 功能實現(xiàn)

2.1 信號場強計算方法

信號場強預測采用目前發(fā)展較為成熟的波導模式理論。模式方程如下[2]：

式中：Ez，n為 n 階模垂直電場 (v/m)；η0為自由空間波阻抗，η0=120π(Ω)；l為發(fā)射天線電流(A)；he為發(fā)射天線有效高度(m)；f為發(fā)射頻率(Hz)；Δn為相對激勵系數(shù)；Gn(z)為天線高度增益系數(shù)；φ為發(fā)射天線相對于地表面的波角；v0為自由空間電磁波速度(m/s)；h為電離層假定的發(fā)射邊界的高度(km)；R0為地球半徑，R0=6 370(km)；r為波傳播的距離(m)；αn為衰減率(Np/km)；β為波在波導內的傳播常數(shù)，β=ω/v。

模式方程僅能對均勻波導中的信號場強進行計算，而由于傳播環(huán)境媒質特性在時空域中是逐點和瞬時隨機變化的，因此信號場強預測模型總是對應于一定時空區(qū)間的統(tǒng)計平均特性。在實際的推算中采用路徑分割法，將傳播路徑根據(jù)地面與電離層參數(shù)的不同分割成若干條水平窄段，在每一段內認為其媒質特性參數(shù)(衰減率、高度增益系數(shù)、激勵系數(shù))是恒定的。分別對各小段傳播進行推算，再通過一個模轉換模型將各段連接起來，就得到場強隨路徑分布的預測數(shù)據(jù)[3-5]。在實際計算甚低頻信號場強時，首先輸入發(fā)射臺地理參數(shù)及接收時間、天線效率，發(fā)射功率、頻率，接收點地理位置參數(shù)，然后算出接收點相對于發(fā)射臺的距離和傳播方向。再根據(jù)傳播路徑的長短及所經(jīng)過路徑的介質不均勻性將路徑分段。對于每一小段路徑由地面導電率數(shù)據(jù)庫、電離層數(shù)據(jù)庫和地磁場數(shù)據(jù)庫得出相應的數(shù)據(jù)資料，計算傳播參數(shù)，然后利用場強計算數(shù)學模型算出接收點場強。其計算流程如圖1所示。

圖1 場強預測計算流程

2.2 MapX應用

MapX主要用來完成信號場強分布和通信覆蓋范圍顯示與控制模塊的制作。該模塊為本系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成以下功能：

(1)地圖變換，完成電子地圖的放大、縮小、漫游等功能。

(2)地圖量算，計算任意路徑的長度及兩點間方位角。

(3)態(tài)勢顯示，提供發(fā)射臺及其信號場強分布和通信覆蓋范圍的標繪。

(4)信息查詢，提供地面、海水電導率、電離層數(shù)據(jù)、地磁場數(shù)據(jù)和發(fā)射臺相關信息的查詢功能。

2.3 實現(xiàn)方法

(1)添加文件

首先把MapX控件提供的文件MapX.cpp和MapX.h包含到工程中去，可通過Insert菜單中的File Into Project菜單，選中相應的文件來實現(xiàn)，生成CMapX類。但不能像使用其他ActiveX控件那樣，用component菜單來實現(xiàn)。因為這樣生成的是CCMapX類，用起來極其不便，且會使某些功能受限。將文件加入工程后，就可以在工程中采用如下語句為類創(chuàng)建相應的對象：

CMapX m_ctrlMapX；

(2)地圖加載

MapX支持的是MapInfo Professional格式的電子地圖，可通過以下方式加載：

利用MapX提供的GeosetManage工具，將所需顯示的圖形文件添加進來，并將當前所有圖形集合存為1個XXX.GST文件，然后在程序中調用，代碼如下：

TRACE0(“Old Geoset: ”+m_ctrlMapX.GetGeoSet())；

m_ctrlMapX.SetGeoSet(“世界地圖.gst”)；

TRACE0(“New Geoset: ”+m_ctrlMapX.GetGeoSet())；

(3)定制工具

地圖的放大、縮小、漫游等功能可通過MapX提供的標準工具來實現(xiàn)。方法簡單，只需設定MapX對象的Current Tool屬性即可。例如，當需縮小工具時：

m_ctrlMapX.SetCurrentTool(miZoomOutTool)；

對一些特殊的需要，例如標注發(fā)射臺站、地圖量算等操作，需用戶自定義相應的特殊工具。具體方法是使用MapX對象的CreateCutomTool方法，例如：

m_ctrlMapX.CreateCutomTool(MYTOOL_STATION，mi-ToolTypePoint，miCrossCursor)

上面語句中3個參數(shù)為用戶預先定義的常量：(1)MYTOOL_STATION表示所創(chuàng)建的工具常量，指明是標注發(fā)射臺，它可直接引用(如：m_ctrlMapX.SetCurrentTool(MYTOOL_STATION))。(2)miToolTypePoint是決定工具行為的常量，表明該工具在鼠標指定位置顯示點。(3)miCross-Cursor是直到光標的常量，表示十字光標。該工具的具體行為則要編寫代碼來實現(xiàn)。

(4)繪圖

圖2所示為繪制某一發(fā)射臺信號場強分布圖簡要程序流程。以發(fā)射臺為中心，依據(jù)場強預測計算流程，逐度逐點進行信號場強計算，根據(jù)每點信號場強的大小渲染為不同顏色，最終形成場強空間分布圖。精度要求不高的情況下，亦可采用3°為間隔進行插值計算，以提高程序運行的速度。下面為部分代碼：

3 系統(tǒng)仿真結果

圖3所示為某發(fā)射臺夏季白天發(fā)射頻率20.5 kHz時信號場強空間分布圖。從圖中可看出，該發(fā)射臺信號基本能覆蓋整個西北太平洋，但信號場強分布存在空間不均勻性，在較近距離也存在信號場強較弱的區(qū)域。因此，通過仿真計算并結合MapX進行可視化顯示，可清晰標繪發(fā)射臺可靠通信覆蓋范圍，為潛艇活動區(qū)域和收信深度的確定提供依據(jù)，使?jié)撏е鲃颖荛_不利通信區(qū)域，提高對潛指揮通信的不間斷性和可靠性。此外系統(tǒng)還可輔助進行發(fā)射臺、功率、通信時間和發(fā)射頻率的合理選擇[6]，實現(xiàn)通信資源和系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化配置，提高對潛通信的效能。

圖2 繪制發(fā)射臺信號場強分布圖程序流程

圖3 某發(fā)射臺信號場強分布圖

長期以來，世界各國海軍力求解決的一大難題就是在保持潛艇戰(zhàn)斗行動隱蔽性的同時，如何保證對潛通信指揮的可靠性和不間斷性。建立甚低頻通信信號場強預測系統(tǒng)的最基本目的是預知發(fā)射臺有效通信覆蓋范圍，并根據(jù)出航潛艇所擔負的使命任務，在制定潛艇作戰(zhàn)行動預案時選擇最佳的收信海區(qū)和時段，為部署潛艇提供科學合理的依據(jù)。更重要的是，還可以利用預測結果合理地優(yōu)化和配置通信狀態(tài)參數(shù)，主動適應傳播信道，以最大限度發(fā)揮甚低頻通信系統(tǒng)的效能，對提高潛艇的作戰(zhàn)效能具有重大的現(xiàn)實意義和軍事價值。

[1]熊皓.無線電波傳播(第 1版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]沃特.甚低頻無線電工程(第1版)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1973.

[3]FERGUSON J A，SNYDER F P.The segmented waveguide program for long wavelength propagation calculations[R].San Diego， California:Naval Ocean Systems Center， 1997.

[4]FERGUSON J A，SNYDER F P.Approximate VLF/LF waveguide mode conversion model[R].San Diego，California:Naval Ocean Systems Center，1980.

[5]PAPPERT R A，SHOCKEY L R.Simplified VLF/LF mode conversion program with allowance for elevated arbitrarily oriented electric dipole antennas[R].San Diego，California:Naval Ocean Systems Center Naval Ocean Systems Center，1976.

[6]JERRY A.Long wave propagation model[R].San Diego，California:Naval Ocean Systems Center Naval Ocean Systems Center，1989.